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1 测量学第十四章 隧道测量本章要点1 隧道测量的内容和作用 重点 2 隧道洞外控制测量 难点 3 隧道进洞测量 难点 4 隧道洞内控制测量 难点 5 隧道施工测量与竣工测量 重点 2 目录 第一节概述第二节洞外控制测量第三节隧道进洞测量第四节隧道洞内控制测量第六节隧道施工测量第七节隧道峻工测量 3 14 1概述14 1 1隧道测量的内容和作用隧道工程施工需要进行的主要测量工作包括 1 洞外控制测量 在洞外建立平面和高程控制网 测定各洞口控制点的位置 2 进洞测量 将洞外的坐标 方向和高程传递到隧道内 建立洞内 洞外统一坐标系统 3 洞内控制测量 包括隧道内的平面和高程控制 4 隧道施工测量 根据隧道设计要求进行施工放样 指导开挖 5 竣工测量 测定隧道竣工后的实际中线位置和断面净空及各建 构筑物的位置尺寸 4 铁路隧道测量的主要目的 是保证隧道相向开挖时 能按规定的精度正确贯通 并使各建筑物的位置和尺寸符合设计规定 不使侵入建筑限界 以确保运营安全 5 14 1 2隧道贯通测量的含义在长大隧道施工中 为加快进度 常采用多种措施增加施工工作面 如图14 1所示 图14 1增加施工工作面的方法 a 竖井 b 平洞 c 斜井 1 贯通测量 两个相邻的掘进面 按设计要求在预定地点彼此接通 称为隧道贯通 为此而进行的相关测量工作称为 贯通测量涉及大部分的隧道测量内容 6 2 贯通误差 由于各项测量工作中都存在误差 导致相向开挖中具有相同贯通里程的中线点在空间不相重合 此两点在空间的连接误差 即闭合差 称为 纵向贯通误差 该线段在线路中线方向的分量称为 横向贯通误差 在水平面内垂直于中线方向的分量称为 高程贯通误差 在高程方向的分量称为 纵向误差 对贯通在距离上有影响 高程误差 对坡度有影响 横向误差 对隧道质量有影响 不同的隧道工程对贯通误差的容许值有各自具体的规定 如何保证隧道在贯通时 两相向开挖的施工中线的闭合差 包括横向 纵向及高程方向 不超过规定的限值 成为隧道测量的关键问题 7 14 2洞外控制测量隧道的设计位置 一般是以定测的精度初步标定在地面上 在施工之前必须进行施工复测 检查并确认两端洞口的中线控制桩 也称为洞口投点 的位置 它是进行洞内施工测量的主要依据 一 控制点的设置 测规 规定1 在每个洞口应测设不少于3个平面控制点 包括洞口投点及其相联系的三角点或导线点 2个高程控制点 2 直线隧道上 两端洞口应各确定一个中线控制桩 以两桩连线作为隧道的中线 3 在曲线隧道上 应在两端洞口的切线上各确定两个间距不小于200m的中线控制桩 以两条切线的交角和曲线要素为依据 来确定隧道中线的位置 8 3 平面控制网应尽可能包括隧道各洞口的中线控制点 即可以在施工测量时提高贯通精度 又可减少工作量 4 同时进行高程控制测量 联测各洞口水准点的高程 以便引测进洞 保证隧道在高程方向准确贯通 二 隧道洞外控制测量的目的是 在各开挖洞口之间建立一精密的控制网 以便据此精确地确定各开挖洞口的掘进方向和开挖高程 使之正确相向开挖 保证准确贯通 三 洞外控制测量 主要包括平面控制测量和高程控制测量两部分 9 14 2 1洞外平面控制测量洞外平面控制测量应结合隧道长度 平面形状 线路通过地区的地形和环境等条件进行 可采用的方法有 中线法 精密导线法 三角锁网法 GPS测量 1 中线法 平面控制简单 直观 精度不高 适用于长度较短或贯通精度要求不高的隧道 方法 就是将隧道中线的平面位置 测设在地表上 经反复核对改正误差后 把洞口控制点确定下来 施工时就以这些控制点为准 将中线引入洞内 在直线隧道 于地表沿勘测设计阶段标定的隧道中线 用经纬仪正倒镜延伸直线法测设中线 在曲线隧道 则按铁路曲线测设方法 首先精确标出两端切线方向 然后测出转向角 将切线长度正确地标定在地表上 再把线路中线测设到地面上 经反复校核 与两端线路正确衔接后 再以切线上的控制点 或曲线主点及转点等 为准 将中线引入洞内 10 2 精密导线法在隧道进 出口之间 沿勘测设计阶段所标定的中线或离开中线一定距离布设导线 采用精密测量的方法测定各导线点和隧道两端控制点的点位 在进行导线点的布设时 除应满足6 2节的要求外 导线点还应根据隧道长度和辅助坑道的数量及位置分布情况布设 导线宜采用长边 且尽量以直伸形式布设 这样可以减少转折角的个数 以减弱边长误差和测角误差对隧道横向贯通误差的影响 为了增加检核条件和提高测角精度评定的可行性 导线应组成多边形导线闭合环或具有多个闭合环的闭合导线网 测规 规定 在一个控制网中 导线环的个数不宜少于4个 每个环的边数宜为4 6条 导线可以是独立的 也可以与国家高等级控制点相连 导线水平角的观测 宜采用方向观测法 测回数应符合表14 1的规定 11 12 当水平角为两方向时 则以总测回数的奇数测回和偶数测回分别观测导线的左角和右角 左 右角分别取中数后应按式 14 1 计算圆周角闭合差 其值应符合表14 2的规定 再将它们统一换算为左角或右角后取平均值作为最后结果 这样可以提高测角精度 左角 中 右角 中 360 14 1 表14 2测站圆周角闭合差的限差 13 导线环角度闭合差 应不大于按下式计算的限差 式中m 设计所需的测角中误差 n 导线环内角的个数 导线的实际测角中误差应按下式计算 并应符合控制测量设计等级的精度要求 式中f 每一导线环的角度闭合差 n 每一导线环内角的个数 N 导线环的总个数 14 导线环 网 的平差计算 一般采用条件平差或间接平差 当导线精度要求不高时 亦可采用近似平差 用导线法进行平面控制比较灵活 方便 对地形的适应性强 我国长达14 3km的大瑶山隧道和8km多的军都山隧道 采用光电测距仪导线网作控制测量 均取得了很好的效果 3 三角锁网法将测角三角锁布置在隧道进出口之间 以一条高精度的基线作为起始边 并在三角锁的另一端增设一条基线 以增加检核和平差的条件 三角测量的方向控制较中线法 导线法都高 如果仅从提高横向贯通精度的观点考虑 它是最理想的隧道平面控制方法 15 由于光电测距仪和全站仪的普遍应用 三角测量除采用测角三角锁外 还可采用边角网和三边网作为隧道洞外控制 但从其精度 工作量等方面综合考虑 以测角单三角形锁最为常用 经过近似或严密平差计算可求得各三角点和隧道轴线上控制点的坐标 然后以这些控制点为依据 可计算各开挖口的进洞方向 4 GPS测量GPS是全球定位系统的简称 它的原理和使用方法 可参阅本书第16章有关内容 隧道洞外控制测量可利用GPS相对定位技术 采用静态测量方式进行 测量时仅需在各开挖洞口附近测定几个控制点的坐标 工作量小 精度高 而且可以全天候观测 因此是大中型隧道洞外控制测量的首选方案 16 14 2 2洞外高程控制测量洞外高程控制测量 是按照设计精度施测各开挖洞口附近水准点之间的高差 以便将整个隧道的统一高程系统引入洞内 以保证在高程方向按规定精度正确贯通 并使隧道各附属工程按要求的高程精度正确修建 高程控制方法 1 常采用水准测量方法 2 四 五等高程控制亦可采用光电测距三角高程的方法进行 但当山势陡峻采用水准测量困难时 高程控制路线 应选择连接各洞口最平坦和最短的线路 以期达到设站少 观测快 精度高的要求 每一个洞口应埋设不少于2个水准点 以相互检核 两水准点的位置 以能安置一次仪器即可联测为宜 方便引测并避开施工的干扰 高程控制水准测量的精度 一般参照表14 3的洞外部分即可 17 表14 3各等级水准测量的路线长度及仪器等级的规定 18 14 3隧道进洞测量隧道进洞测量 隧道洞外和洞内的联系测量 在隧道开挖之前 必须根据洞外控制测量的结果 测算洞口控制点的坐标和高程 同时按设计要求计算洞内待定点的设计坐标和高程 通过坐标反算 求出洞内待定点与洞口控制点 或洞口投点 之间的距离和夹角关系 可按极坐标方法或其它方法测设出进洞的开挖方向 并放样出洞门内的待定点点位 19 14 3 1正常进洞关系的计算和进洞测量洞外控制测量完成之后 应把各洞口的线路中线控制桩和洞外控制网联系起来 如若控制网和线路中线两者的坐标系不一致 应首先把洞外控制点和中线控制桩的坐标纳入同一坐标系统内 即必须先进行坐标转换 一般在直线隧道以线路中线作为X轴 曲线隧道上以一条切线方向作为X轴 建立施工坐标系 用控制点和隧道内待测设的线路中线点的坐标 反算两点的距离和方位角 从而确定进洞测量的数据 把中线引进洞内 可按下列方法进行 1 直线隧道进洞 2 曲线隧道进洞 20 1 直线隧道进洞直线隧道进洞计算比较简单 常采用拨角法 如图14 2所示 A D为隧道的洞口投点 位于线路中线上 当以AD为坐标纵轴方向时 可根据洞外控制测量确定的A B和C D点坐标进行坐标反算 分别计算放样角 1和 2 测设放样时 仪器分别安置在A点 后视B点 安置在D点 后视C点 相应地拨角 1和 2 就得到隧道口的进洞方向 图14 2 21 2 曲线隧道进洞曲线隧道每端洞口切线上的两个投点的坐标在平面控制测量中已计算出 根据四个投点的坐标可算出两切线间的偏角 为两切线方位角之差 值与原来定测时所测得的偏角值可能不相符 应按此时所得 值和设计所采用曲线半径R和缓和曲线长l0 重新计算曲线要素和各主点的坐标 22 1 曲线进洞测量方法 1 洞口投点移桩法即计算定测时原投点偏离中线 理论中线 的偏移量和移桩夹角 并将它移到正确的中线上 再计算出移桩后该点的隧道施工里程和切线方向 于该点安置仪器 就可按第11章的曲线测设方法 测设洞门位置或洞门内的其它中线点 2 洞口控制点与曲线上任一点关系计算法将洞口控制点坐标和整个曲线转换为同一施工坐标系 无论待测设点位于切线 缓和曲线还是圆曲线上 都可根据其里程计算出施工坐标 在洞口控制点上安置仪器用极坐标法测设洞口待定点 23 14 3 2辅助坑道的进洞测量1 由洞外向洞内传递方向和坐标如图14 3所示 当用斜井 横洞或竖井来增加隧道开挖工作面时 都要布设导线 把洞内外控制测量联系起来 从而把洞外控制的方向和坐标传递给洞内导线 构成一个洞内 外统一的控制坐标系 保证各施工段正确贯通 这种导线称为联系导线 联系导线是一种支导线 其测角误差和边长误差将直接影响洞内控制测量并进而影响隧道的贯通精度 故必须进行多次重复精密测定 图14 3联系导线 24 当经由竖井传递方向和坐标 进行联系测量时 由于不能直接布置联系导线 过去一直采用联系三角形法 此法设备笨重 劳动强度大 效率低 精度差 已逐步被淘汰 现多采用垂准仪光学投点 陀螺经纬仪定向的方法 向地下传递坐标和方位 若相近邻的竖井投点能够通过平洞相互通视 则可大大提高定向精度 此方法在地铁隧道和其他管线的盾构施工中已广泛采用 2 由洞外向洞内传递高程1 经由斜井或横洞传递高程 水准测量方法 由于斜井坡度较陡 使观测视线很短 测站数增多 加之观测环境差 故误差累积较大 应每隔10站在斜井边脚设一临时水准点 以便往返测量时校核 用以减少返工的工作量 近年来采用光电测距三角高程测量的方法 在斜井内传递高程 大大提高了工作效率 使工作既简便快捷 又能满足精度要求 显示出很大的优越性 25 2 经由竖井传递高程的方法 悬挂钢尺方法 即在井上悬挂一根带标准重锤的经过检定的长钢尺或者钢丝 井上需有比长器 至井下 并在井上 井下各安置一台水准仪 同时读取钢尺读数l1和l2 然后再读取井上 井下水准点的标尺读数 由此求得井下水准点的高程 可参阅第10章内容 井下水准点B的高程HB可用式 14 4 计算 HB HA a l1 l2 t十 k b 14 4 式中HA 井上水准点A的高程 a b 井上 井下水准尺读数 l1 l2 井上 井下钢尺读数 L l1 l2 t 钢尺温度改正数 t L t均一t0 钢尺的线膨胀系数 取1 25 10一5 t均 井上 井下的平均温度 t0 钢尺检定时的温度 k 钢尺尺长改正数 26 光电测距仪传递高程如果在井上安装光电测距仪 装配一托架 使照准头向下直接瞄准井底的反光镜 测出井深Dh 然后在井上 井下分别同时用两台水准仪 测定井上水准点A与测距仪照准头转动中心的高差 a上 b上 井下水准点B与反射镜转动中心的高差 b下 a下 即可将井上水准点A的高程HA传递至井下 求得井下水准点B的高程HB 如图14 4所示 HB HA a上 b上 Dh b下 a下 14 5 用光电测距仪测井深的方法优点 比悬挂钢尺的传统方法快捷 精确 大大减轻了劳动强度 提高了工效 图14 4光电测距仪传递高程 尤其是对于50m以上的深井测量 更显示出它的优越性 27 14 4隧道洞内控制测量在隧道施工中 随着开挖的延伸进展 需要不断给出隧道的掘进方向 为了正确完成施工放样 防止误差积累 保证最后的准确贯通 应进行洞内控制测量 此项工作是在洞外控制测量和洞 内外联系测量的基础上展开的 包括洞内平面控制测量和洞内高程控制测量 14 4 1洞内平面控制测量隧道洞内平面控制测量应结合洞内施工特点进行 由于场地狭窄 施工干扰大 故洞内平面控制常采用 中线法或导线法两种形式 28 1 中线法 适用于小于500m的曲线隧道和小于1000m的直线隧道 中线法是指采用直接定线法 即以洞外控制测量定测的洞口投点为依据 向洞内直接测设隧道中线点 并不断延伸作为洞内平面控制 这是一种特殊的支导线形式 即把中线控制点作为导线点 直接进行施工放样 一般以定测精度测设出待定中线点 其距离和角度等放样数据由理论坐标值反算 若将上述测设的中线点 辅以高精度的测角 量距 可以计算出新点实际的精确点位 并和理论坐标相比较 根据其误差 再将新点移到正确的中线位置上 这种方法也可以用于较长的隧道 缺点 受施工运输的干扰大 不方便观测 点位易被破坏 29 2 导线法 洞内导线平面控制方法适用于长大隧道 导线法 是指隧道洞内平面控制采用布设精密导线进行 导线特点 较中线形式灵活 点位易于选择 测量工作也较简单 而且可有多种检核方法 当组成导线闭合环时 角度经过平差 还可提高点位的横向精度 施工放样时的隧道中线点依据临近导线点进行测设 中线点的测设精度能满足局部地段施工要求即可 洞内导线与洞外导线相比 具有以下特点 洞内导线是随着隧道的开挖而向前延伸 因此只能敷设支导线或狭长形导线环 而不可能将贯穿洞内的全部导线一次测完 测量工作间歇时间取决于开挖面的进展速度 导线的形状 直伸或曲折 完全取决于坑道的形状和施工方法 支导线或狭长形导线环只能用重复观测的方法进行检核 定期进行精确复测 以保证控制测量的精度 洞内导线点不宜保存 观测条件差 标石顶面最好比洞内地面低20 30cm 上面加设坚固护盖 然后填平地面 注意护盖不要和标石顶点接触 以免在洞内运输或施工中遭受破坏 30 洞内导线可以采用下列几种形式 1 单导线导线布设灵活 但缺乏检测条件 测量转折角时最好半数测回测左角 半数测回测右角 以加强检核 施工中应定期检查各导线点的稳定情况 2 导线环如图14 5所示 是长大隧道洞内控制测量的首选形式 有较好的检核条件 而且每增设一对新点 如5和5 点 可按两点坐标反算5 5 的距离 然后与实地丈量的5 5 距离比较 这样每前进一步均有检核 如图14 5 31 3 主 副导线环如图14 6所示 图中双线为主导线 单线为副导线 主导线既测角又测边长 副导线只测角不测边 增加角度的检核条件 在形成第二闭合环时 可按虚线形式 以便主导线在3点处能以平差角传算3 4边的方位角 主副导线环可对测量角度进行平差 提高了测角精度 对提高导线端点的横向点位精度非常有利 图14 6 此外 还有交叉导线 旁点闭合环等布线方式 当有平行导坑时 还可利用横通道形成正洞和导坑联系起来的导线闭合环 重新进行平差计算 可进一步提高导线的精度 32 在洞内进行平面控制时应注意 1 每次建立新点 都必须检测前一个旧点的稳定性 确认旧点没有发生位移 才能用来发展新点 2 导线点应布设在避免施工干扰 稳固可靠的地段 尽量形成闭合环 导线边以接近等长为宜 一般直线地段不短于200m 曲线地段不宜短于70m 3 测角时 必须经过通风排烟 使空气澄清以后 能见度恢复时进行 根据测量的精度要求确定使用仪器的类型和测回数 4 洞内边长丈量 用钢尺丈量时 钢尺需经过检定 当使用光电测距仪测边时 应注意洞内排烟和漏水地段测距的状况 准确进行各项改正 33 14 4 2洞内高程控制测量洞内高程控制测量是将洞外高程控制点的高程通过联系测量引测到洞内 作为洞内高程控制和隧道构筑物施工放样的基础 以保证隧道在竖直方向正确贯通 洞内水准测量与洞外水准测量的方法基本相同 但有以下特点 1 隧道贯通之前 洞内水准路线属于水准支线 故需往返多次观测进行检核 2 洞内三等及以上的高程测量应采用水准测量 进行往返观测 四 五等也可采用光电测距三角高程测量的方法 应进行对向观测 3 洞内应每隔200 500m设立一对高程控制点以便检核 为了施工便利 应在导坑内拱部边墙至少每100m设立一个临时水准点 34 4 洞内高程点必须定期复测 测设新的水准点前 注意检查前一水准点的稳定性 以免产生错误 5 因洞内施工干扰大 常使用挂尺传递高程 如图14 7所示 高差的计算公式仍用hAB a b 但对于零端在顶上的挂尺 如图中B点挂尺 读数应作为负值计算 记录时必须在挂尺读数前冠以负号 B点的高程 HB HA a b HA a b 14 6 图14 7挂尺高程传递 35 当隧道贯通之后 求出相向两支水准路线的高程贯通误差 在允许误差以内时可在未衬砌地段进行调整 所有开挖 衬砌工程应以调整后的高程指导施工 洞内高程控制测量的作业要求 观测限差和精度评定方法符合洞外高程测量的有关规定 洞内测量结果的精度必须符合洞内高程测量设计要求或规定等级的精度 参见表14 3 36 14 5隧道贯通精度的预计 略 14 5 1贯通精度预计的意义为了加快隧道的施工进度 增加了开挖面 这就必需严格保证其施工质量 特别是各开挖面的贯通质量 由于隧